Softwareproduktlinien Teil 9: Features vs. Aspekte

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1 Softwareproduktlinien Teil 9: Features vs. Aspekte Sven Apel (Universität Passau) Christian Kästner (Universität Marburg) Gunter Saake (Universität Magdeburg)

2 AOP vs. FOP AOP und FOP implizieren keine konkreten Implementierungstechniken Unterscheiden sich in ihrer Philosophie AOP fokussiert auf querschneidende Belange FOP fokussiert auf Domänenabstraktionen Dennoch werden oft konkrete Implementierungstechniken mit ihnen in Verbindung gebracht AOP Pointcuts & Advice, Inter-Typ-Deklarationen FOP Klassen, Refinements, Mixin/Jampack-Komposition

3 Motivation AOP à la AspectJ und FOP à la Jak haben ähnliche Ziele Können beide für Produktlinien verwendet werden Wo liegen die Unterschiede und Gemeinsamkeiten? Wann nutzt man welchen Ansatz? Kann bzw. sollte man FOP und AOP kombinieren um Features zu implementieren?

4 Feature-Module à la Jak Basic Graph class Graph { Vector nv = new Vector(); Vector ev = new Vector(); Edge add(node n, Node m) { Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); return e; void print() { for(int i = 0; i < ev.size(); i++) ((Edge)ev.get(i)).print(); class Edge { Node a, b; Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { a.print(); b.print(); class Node { int id = 0; void print() { System.out.print(id);

5 Feature-Module à la Jak Basic Graph class Graph { Vector nv = new Vector(); Vector ev = new Vector(); Edge add(node n, Node m) { Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); return e; void print() { for(int i = 0; i < ev.size(); i++) ((Edge)ev.get(i)).print(); class Edge { Node a, b; Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { a.print(); b.print(); class Node { int id = 0; void print() { System.out.print(id); Weight refines class Graph { Edge add(node n, Node m) { Edge e = Super(Node,Node).add(n, m); e.weight = new Weight(); Edge add(node n, Node m, Weight w) Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); e.weight = w; return e; refines class Edge { Weight weight = new Weight(); void print() { Super(),print(); weight.print(); class Weight { void print() {...

6 Aspekte à la AspectJ Basic Graph class Graph { Vector nv = new Vector(); Vector ev = new Vector(); Edge add(node n, Node m) { Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); return e; void print() { for(int i = 0; i < ev.size(); i++) ((Edge)ev.get(i)).print(); class Edge { Node a, b; Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { a.print(); b.print(); class Node { int id = 0; void print() { System.out.print(id);

7 Aspekte à la AspectJ Basic Graph class Graph { Vector nv = new Vector(); Vector ev = new Vector(); Edge add(node n, Node m) { Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); return e; void print() { for(int i = 0; i < ev.size(); i++) ((Edge)ev.get(i)).print(); class Edge { Node a, b; Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { a.print(); b.print(); class Node { int id = 0; void print() { System.out.print(id); Color aspect ColorAspect { static class Colored { Color color; declare parents: (Node Edge) extends Colored; before(colored c) : execution(void print()) && this(c) { Color.setDisplayColor(c.color); static class Color {...

8 AOP vs. FOP

9 AOP vs. FOP Aspekt

10 Terminologie AOP FOP Analyse, Design Aspekt-Orientierte Modellierung Frühe Aspekte (early aspects) Aspekte als Funktionen Feature-Modellierung Feature-Ausdrücke Quarks und Co. Domänen-spezifische Optimierung Implementierung Aspekt = Klasse, Advice, Inter-Typ- Deklarationen AspectJ, AspectC++, Eos Feature-Modul = Klassen, Refinements, Mixin/Jampack- Komposition Jak, FeatureC++, FeatureHouse, Classbox/J, Jiazzi, ObjectTeams/Java

11 Heterogene vs. Homogene Erweiterungen Heterogen: unterschiedlichen Code an unter-schiedliche Stellen Homogen: gleichen Code an unterschiedlichen Stellen class Graph { Edge add(node n, Node m) { Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); e.weight = new Weight(); return e; Edge add(node n, Node m, Weight w) Edge e = new Edge(n, m); nv.add(n); nv.add(m); ev.add(e); e.weight = w; return e; class Edge { Weight weight = new Weight(); Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { a.print(); b.print(); weight.print(); class Node { int id = 0; Color color = new Color(); void print() { Color.setDisplayColor(color); System.out.print(id); class Edge { Node a, b; Color color = new Color(); Edge(Node _a, Node _b) { a = _a; b = _b; void print() { Color.setDisplayColor(color); a.print(); b.print();

12 Statische vs. Dynamische Erweiterungen Statisch: verändern die statische Struktur (syntaktische Struktur) Dynamisch: ändern das Verhalten (Ereignis und Aktion) class Node { int id = 0; Color color = new Color(); void print() { System.out.print(id); class Node { int id = 0; void print() { Color.setDisplayColor(color); System.out.print(id);

13 Einfache und Erweiterte Dynamische Erweiterungen Einfache dynamische Erweiterungen Erweitern von Methodenausführungen Ohne Bedingungen zur Laufzeit Kein Zugriff auf den Kontext des Ereignisses Außer Argumente, Rückgabewert und Objekt Komplexe dynamische Erweiterungen Alle Arten von Ereignissen Bedingungen zur Laufzeit (Kontrollfluss) Zugriff auf den dynamischen Kontext Einfache dynamische Erweiterungen sind Methodenerweiterungen mittels Overriding!

14 Beispiele für Einfache Dynamische Erweiterungen class Edge { int weight = 0; void setweight(int w) { weight = w; int getweight() { return weight; refines class Edge { void setweight(int w) { Super(int).setWeight(2*w); Jak int getweight() { return Super().getWeight()/2; AspectJ aspect DoubleWeight { void around(int w) : args(w) && execution(void Edge.setWeight(int)) { proceed(w*2); int around() : execution(void Edge.getWeight()) { return proceed()/2;

15 Beispiele für Komplexe Dynamische Erweiterungen class Node { void print() { Jak refines class Node { static int count = 0; void print() { if(count == 0) printheader(); count++; Super().print(); count--; void printheader() { /*... */ AspectJ aspect PrintHeader { before() : execution(void print()) &&!cflowbelow(execution(void print())) { printheader(); void printheader() { /* */

16 Vergleich von FOP und AOP statisch dynamisch FOP gute Unterstützung Attribute, Methoden, Klassen schlechte Unterstützung einfach dynamisch (Erweiterung von Methoden) AOP eingeschränkte Unterstützung Attribute, Methoden gute Unterstützung erweitert dynamisch heterogen gute Unterstützung Verfeinerungen und Kollaborationen eingeschränkte Unterstützung keine expliziten Kollaborationen homogen Keine Unterstützung Eine Verfeinerung pro Join-Point (Code-Replikation) gute Unterstützung Wildcards und logische Verknüpfung von Pointcuts

17 Vergleich von FOP und AOP statisch dynamisch FOP gute Unterstützung Attribute, Methoden, Klassen schlechte Unterstützung einfach dynamisch (Erweiterung von Methoden) AOP eingeschränkte Unterstützung Attribute, Methoden gute Unterstützung erweitert dynamisch heterogen gute Unterstützung Verfeinerungen und Kollaborationen eingeschränkte Unterstützung keine expliziten Kollaborationen homogen Keine Unterstützung Eine Verfeinerung pro Join-Point (Code-Replikation) gute Unterstützung Wildcards und logische Verknüpfung von Pointcuts

18 Kollaborationen anstatt von Aspekten Homogene Erweiterungen führen zu Replikation Graph Edge Node BaseGraph Graph Edge Node Color refines class Graph { Color color ; Color getcolor () { return color; void setcolor (Color c) { color = c; refines class Edge { Color color ; Color getcolor () { return col; void setcolor (Color c) { color = c; refines class Node { Color color; Color getcolor () { return col; void setcolor (Color c) { color = c;

19 Kollaborationen anstatt von Aspekten Dynamische Erweiterungen resultieren in Spagetti-Code print print print print AspectJ aspect PrintHeader { before() : execution(void print ()) &&!cflowbelow (execution(void print ())) { printheader (); void printheader () { /* */ Jak refines class Node { static int count = 0; void print () { if(count == 0) printheader (); count++; Super().print (); count--; void printheader () { /*... */

20 Aspekte anstatt von Kollaborationen Ein Aspekt pro Kollaboration Graph Edge Node BaseGraph OO-Struktur ist nicht explizit aspect AddWeight { Edge Graph.add(Node n, Node m, Weight w) { Edge res = add(n, m); res.weight = w; return res; Weight Edge.weight ; after(edge e) : this(e) && execution(void Edge.print ()) { /* */

21 Eine Frage der Skalierbarkeit Aspekt

22 Alternative: Ein Aspekt pro Rolle Aspektweben Aspektweben ersetzt Klassenverfeinerung und Superimposition ohne zusätzlichen Vorteil!

23 Fazit Der Einsatz von Aspekten und Kollaborationen ist abhängig vom zu implementierenden Problem Aspekte und Kollaboration sind unterschiedlich geeignet

24 Symbiose AOP und FOP

25 Die Symbiose von FOP und AOP OOP

26 Die Symbiose von FOP und AOP OOP FOP

27 Die Symbiose von FOP und AOP OOP AOP FOP

28 Die Symbiose von FOP und AOP OOP FOP FOP + AOP AOP

29 Aspectual Feature Modules Integration von Aspekten, Klassen und Verfeinerungen Basic Graph Graph Edge Node

30 Aspectual Feature Modules Integration von Aspekten, Klassen und Verfeinerungen Verfeinerung auf Basis von Rollen und Kollaborationen Basic Graph Graph Edge Node Weight Weight Graph Edge

31 Aspectual Feature Modules Integration von Aspekten, Klassen und Verfeinerungen Verfeinerung auf Basis von Rollen und Kollaborationen Basic Graph Graph Edge Node Weight Weight Graph Edge Color ColorAspect Color Aspektweben

32 Werkzeugunterstützung FeatureC++ & AspectC++ Aspectual Feature Modules für C++ Direkte Sprachunterstützung Compilieren erst mit FeatureC++ dann mit AspectC++ Compiler AHEAD Tool Suite & AspectJ Java-basierte Variante von Aspectual Feature Modules Aspekt-Dateien in Feature Modulen; übersetzen mit AspectJ Compiler (z.z. keine direkte Unterstützung in FeatureIDE)

33 33 Aspect Refinement

34 Wiederholung: Prinzip der Uniformität Features are implemented by a diverse selection of software artifacts, and any kind of software artifact can be subject of subsequent refinement. Feature A.java.html Feature B.java.xml Feature C.html.xml Build Script 34 Code Documentation

35 Aspekte Eine weitere Art von Softwareartefakt Aspekte kollaborieren mit anderen Artefakten, um ein Feature zu implementieren Feature A.java Feature B.java.aj.aj Aspectual Feature Module 35

36 Idee Feature A.java Feature B Feature C.java.aj.aj.aj Wieso können wir nicht auch Aspekte selbst verfeinern? 36

37 Beispiel AspectJ class Buffer { { Vector buf = buf new = Vector(); new Vector(); void void put(item put(item e) { buf.add(e); { buf.add(e); Item Item get(int get(int i) { return i) (Item)buf.get(i); { return (Item)buf.get(i); Buffer Item Base 37

38 Beispiel AspectJ class Buffer { Vector buf = new Vector(); void put(item e) { buf.add(e); Item get(int i) { return (Item)buf.get(i); Buffer Sync Buffer Item Base Sync abstract aspect BufferSync { pointcut syncpc() : execution(item Buffer.get(int)) execution(void Buffer.put(Item)); Object around() : syncpc() { lock(); Object res = proceed(); unlock(); return res; 38

39 Beispiel AspectJ class Buffer { Vector buf = new Vector(); void put(item e) { buf.add(e); Item get(int i) { return (Item)buf.get(i); Buffer Sync Buffer Item Base Sync abstract aspect BufferSync { pointcut syncpc() : execution(item Buffer.get(int)) execution(void Buffer.put(Item)); Object around() : syncpc() { lock(); Object res = proceed(); unlock(); return res; Stack Sync Stack Stack class Stack { LinkedList list = new LinkedList(); void push(item i) { list.addfirst(i); Item pop() { return (Item)list.getFirst(); aspect StackSync extends BufferSync { pointcut syncpc() : BufferSync.syncPC() execution(item Stack.pop()) execution(void Stack.push(Item)); 39

40 Limitierungen von AspectJ Aspektvererbung Aspekte, die verfeinert werden sind fest Enge Kopplung zwischen Aspekt und Verfeinerung Siehe Inflexible Erweiterungsmechanismen Abstrakte Aspekte Nur abstrakte Aspekte können verfeinert werden Verfeinerungen müssen vorausgeplant sein Advice-Konstrukte haben keinen Namen Können nicht verfeinert werden 40

41 Kollaborationen und Rollen für Aspekte Analog zu Klassenverfeinerungen Verfeinerungen zur Übersetzungszeit Jeder Aspekt kann verfeinert werden AspectJ-Erweiterung auf Basis von Jak (experimenteller Compiler arj), teilweise in FeatureC++ möglich A.java.aj A.java.aj A.java.aj B.java.aj.aj B.java.aj.aj 41 C.aj C.aj

42 Hinzufügen von Elementen und Erweitern von Methoden aspect Sync { void lock() { /* locking access */ void unlock() { /* unlocking access */ refines aspect Sync { int threads; void lock() { threads++; Super.lock(); void unlock() { threads--; Super.unlock(); pointcut syncpc() : execution(item Buffer.get(int)) execution(void Buffer.put(Item)); Object around() : syncpc() { lock(); Object res = proceed(); unlock(); return res; 42

43 Pointcut Refinement aspect Sync { pointcut syncpc() : execution(item Buffer.get(int)) execution(void Buffer.put(Item)); Object around() : syncpc() {/* synchronization */ refines aspect Sync { pointcut syncpc() : Super.syncPC() execution(* Stack.*(..)); 43

44 (Named) Advice Refinement aspect Sync { pointcut syncpc() : execution(* Buffer.*(..)); Object around syncmethod() : syncpc() { lock(); Object res = proceed(); unlock(); return res; refines aspect Sync { int count = 0; Object syncmethod() { count++; Object res = Super.syncMethod(); count--; return res; 44

45 Werkzeugunterstützung FeatureC++ & AspectC++ Ohne Advice Refinement AspectJ Experimenteller Compiler ARJ Erweiterung von AspectJ (z.z. keine direkte Unterstuetzung in FeatureIDE)

46 47 Fallstudien zur Nutzung von AOP

47 Warum Fallstudien Bisher Aspekte und Kollaborationen sind komplementär Einsatz von Aspekten und Kollaborationen ist abhängig vom Implementierungsproblem Aspekte und Kollaboration sind unterschiedlich geeignet Möglichkeit zu Aspect Refinement Fragen: Warum nicht einfach immer Kollaborationen oder immer Aspekte benutzen? Spielen ihre Unterschiede wirklich eine Rolle? Was wird in der Praxis gebraucht?

48 Vorgehen Empirische Analyse von 10 existierenden AspectJ Programmen AspectJ-Programme vorhanden AspectJ: Obermenge aller untersuchten Funktionalität FOP für empirische Analyse nicht ausreichend verbreitet Erfassung von Metriken Teils manuell Teils automatisiert: AJStats 1, AJDTStats

49 Analysierte AspectJ-Programme Tetris The popular game 1 KLOC Blekinge Institute of Technology OAS An online auction system 2 KLOC Lancaster University Prevayler Transparent persistence for Java 4 KLOC University of Toronto AODP Aspect-oriented implementation of the Gang-of-Four design patterns 4 KLOC University of British Columbia FACET An aspect-based CORBA event channel 6 KLOC Washington University HealthWatcher Web-based information system for public health systems 7 KLOC Lancaster University AJHotDraw 2D graphics framework 22 KLOC Sourceforge project Hypercast Multicast overlay network communication 67 KLOC University of Virginia, Microsoft AJHSQLDB SQL relational database engine 76 KLOC University of Passau Abacus A CORBA middleware framework 130 KLOC University of Toronto

50 fraction of the overall code base Verwendung von AOP 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% object-oriented code basic AOP advanced AOP

51 Aspect Refinement in P2P-PL 7 von 14 Aspekten wurden verfeinert Name No. of Ref. Description serialization 11 prepares objects for serialization responding 4 sends replies automatically tostring 12 introduces tostring methods log/debug 13 mix of logging and debugging pooling 3 stores and reuses open connections dissemination 3 piggyback meta-data propagation feedback 2 generates feedback by observing peers 53

52 Literatur zu Vergleich und Symbiose S. Apel, T. Leich, and G. Saake. Aspectual Feature Modules. IEEE Transactions on Software Engineering, 34(2), [Aspectual Feature Modules sehr ausführlich] S. Apel. How AspectJ is Used: An Analysis of Eleven AspectJ Programs. Journal of Object Technology, 9(1), [Analyse von 11 AspectJ-Programmen]